沼液回用方式对玉米秸秆厌氧消化性能的影响研究

闫香霖， 汪炎， 梅红， 孔韡

（东华工程科技股份有限公司， 合肥 230024）

目前， 秸秆的能源转化技术主要包括： 厌氧消化、 直接燃烧、 热解气化、 液化、 乙醇化、 固化和炭化， 其中厌氧消化产沼气技术具有利用效率高、技术较成熟、 处理方式简单、 可产生清洁能源等优点［1-2］。 近年来， 我国沼气工程不断发展， 大中型沼气工程项目的建设和投入越来越多， 在产生沼气的同时伴随着大量的沼渣和沼液有待处理［3-4］。 秸秆的内部结构致密复杂， 主要由纤维素、 半纤维素和木质素嵌合而成， 不易被生物降解。 因此， 在利用秸秆进行厌氧消化时通常需要对其进行预处理，破坏其物理结构， 如使用2%NaOH 溶液（w（TS） ∶w（NaOH）∶w（H2O）＝1 ∶0.02 ∶6）在常温下浸泡秸秆3 d［5］。 除化学预处理外， 厌氧消化沼液中富含氮、磷、 钾等矿物元素和氨基酸、 有机质、 维生素以及多种有益菌群， 利用沼液对秸秆进行生物预处理，可达到生物破坏的效果， 从而提高秸秆的可降解性［6］。 将沼液回用至反应系统中， 既可以解决沼液的处理处置问题， 又可以提高厌氧消化的产气速率， 增强反应系统的稳定性［7］。 因此， 为了比较不同沼液回用方式下玉米秸秆厌氧消化的产气性能及运行稳定性， 本试验将收集到的厌氧消化产物分别进行过滤和离心处理， 得到过滤沼液和离心沼液， 然后用处理后的沼液对玉米秸秆分别用作预处理、 作上料配水、 同时作预处理和上料配水，进行沼液回用厌氧消化试验， 考察不同沼液回用方式对玉米秸秆厌氧消化性能的影响， 为实际工程应用提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 试验装置

批式试验装置是自制的厌氧消化装置， 如图1所示， 是一种气体连通装置。 使用1 L 的玻璃瓶（带密封盖）作为厌氧消化反应器， 工作体积为0.8 L， 置于35 ℃的恒温水箱中， 采用排水法收集沼气并计算沼气产量。

图1 厌氧消化装置示意Fig. 1 Structure of anaerobic digestion device

1.2 试验原料

试验所用玉米秸秆取自北京市延庆郊区， 挑选无霉变的秸秆自然风干后， 把整株秸秆（去根）截成2～3 cm 小段， 经筛网为20 目的粉碎机粉碎后置于干燥通风处备用。 消化瓶中接种污泥取自北京市顺义区沼气站， 自然沉降数日后倒去上清液， 测定性质备用。 原料的基本性质如表1 所示。

表1 原料基本性质Tab. 1 Characteristics of raw materials %

1.3 沼液收集回用

以玉米秸秆为原料进行半连续式厌氧消化试验，原料负荷为65 g［TS］／L， 接种物为15 g［MLSS］／L，收集出料。 一部分经过10 目筛网重力过滤得到过滤沼液， 另一部分经过TGL-16G 高速离心机， 以3 000 r／min 的转速离心20 min 得到离心沼液， 放置在4 ℃冰箱中备用。 回用沼液相关性质如表2所示。

表2 回用沼液相关性质Tab. 2 Characteristics of recycling LFD

1.4 试验方法

本试验以玉米秸秆为原料， 有机负荷为65 g［TS］／L， 接种物负荷为15 g［TS］／L， 进行为期40 d的中温（35±1）℃厌氧消化试验。 试验设计如表3所示， 其中设置6 个试验组和2 个对照组， 每组设置3 个平行试验。

表3 试验设计Tab. 3 Experimental design

首先， 按照0.8 L 的工作体积计算每个反应器中应添加玉米秸秆的质量， 用相应的预处理配比方式对玉米秸秆进行常温浸泡， 预处理3 d； 然后，将预处理后的玉米秸秆和接种物混合， 加入到反应器中， 并加上料配水（沼液／水）至0.8 L 的工作体积； 最后拧紧盖子， 将反应器放入恒温水箱中， 开始厌氧消化试验。 恒温水箱应提前加入足量的水并升温至（35±1）℃， 试验期间应及时加水， 使水箱中的液面到达瓶颈的位置， 以保证反应器中的物料处于中温厌氧消化状态。

1.5 分析方法

日产气量采用排水法测定； 气体成分用SP-2100 气相色谱仪测定， TCD 检测器， 载气为高纯氩气； TS 与VS 含量采用重量法测定； 玉米秸秆成分采用ANKOM 纤维素测定仪测定； 氨氮浓度采用凯氏定氮仪（蒸馏滴定法）测定； 碱度采用滴定法测定。

2 结果与讨论

2.1 日产气量

不同沼液回用方式处理玉米秸秆后， 进行为期40 d 的中温厌氧消化， 其日产气量随时间的变化过程如图2 所示。

图2 日产气量变化情况Fig. 2 Changes of daily biogas production

过滤沼液试验组中， R1 和R3 的产气过程均在第2～3 天达到第1 个产气高峰， 产气峰均集中在厌氧消化15 d 之前， 然后稍有下降， 最后逐渐平稳并趋近于零； R2 在达到第1 个产气高峰后产气量有明显的降低， 然后在第3～5 天逐渐回升， 之后保持较高的日产气量直到第15 天。 3 个试验组中R3 单日产气量最高， 达2 130 mL； R1 次之， 最高日产气量达1 970 mL； R2 最低， 仅为1 200 mL。

离心沼液试验组的日产气量规律与过滤沼液试验组相似。 R4 的主要产气周期在前22 d， 最高日产气量1 570 mL； R5 在达到第1 个产气高峰后产气量有明显降低， 但快速回升， 并在消化过程的前13 d 内保持较高的日产气量， 最高日产气量达1 110 mL； R6 在第2 天达到第1 个产气高峰， 并且前11 d 均保持较高的日产气量， 然后快速下降， 最后逐渐平稳并趋近于零， 最高产气量达1 540 mL。

R7 和R8 作为对照组， 在厌氧消化反应初期就出现严重的酸化现象。 R7 的日产气量在第3 天迅速下降至200 mL 以下， 此时添加适量的Ca（OH）2溶液调节pH 值， 从第11 天开始逐渐恢复产气， 并在第22 天达到产气高峰， 最高日产气量为1 360 mL； R8 在消化初期产气量就较少， 之后一直处于酸化状态， 调节pH 值后直到第29 天左右才逐渐恢复产气， 最高日产气量为850 mL。

通过以上日产气量规律分析可以看出： ①沼液回用对玉米秸秆厌氧消化的日产气量有显著影响，提高日产气量的同时也提前了产气高峰， 使产气峰集中在厌氧消化前期； ②沼液试验组（R1～R6）的日产气量较R7 对照组提高了13% ～ 57%， 较R8 对照组提高了31%～151%； ③过滤沼液试验组（R1～R3）的日产气量略高于离心沼液试验组（R4～R6）8%～38%。 由此可见， 过滤沼液对玉米秸秆的预处理效果比离心沼液更好， 促使其在消化反应初期可以更快地进入到产气高峰阶段。

2.2 累积产气量和T90

不同沼液回用方式处理玉米秸秆进行厌氧消化的累积产气量变化如图3 所示。

从图3 可以看出， 沼液试验组（R1～R6）均能很快地进入产气稳定期， 远远领先对照组。 R3 和R6 明显优于同组的其他试验组， 产气量累积速率和累积产气总量在同组表现最优。

图3 累积产气量变化情况Fig. 3 Changes of cumulative gas production

实际工程中以完成厌氧消化1 个周期内总产气量90%的时间作为衡量厌氧消化产气周期的标准，用T90表示， 其中总产气量的90% 称为T90累积产气量［8］。 各试验组的累积产气量和T90见表4。

从表4 可以看出， 沼液试验组（R1～R6）的总产气量较R7 提高了10%～17%， 较R8 提高了139%～180%， 其中R3 的总产气量最高， 达到18 645 mL。同时可以看出， 沼液试验组（R1～R6）的T90较对照组（R7、 R8）明显缩短， 产气效果最好的R3 比R7对照组缩短时间高达17 d。 过滤沼液试验组的总产气量比离心沼液试验组更高， T90更短。

表4 累积产气量和T90Tab. 4 Cumulative biogas production and T90

通过以上对累积产气量和T90的分析可知， 沼液回用可以有效缩短玉米秸秆的厌氧消化产气周期， 提高厌氧消化效率， 这主要是因为沼液中含有丰富的厌氧微生物， 加快了反应器内部的菌种繁殖过程， 提高了有机物的利用率。 此外， 过滤沼液中可能留存了更多的微生物量， 因此过滤沼液试验组的累积产气量较离心沼液试验组更高，T90提前更多。

2.3 甲烷含量

不同沼液回用方式处理玉米秸秆进行厌氧消化的甲烷含量变化如图4 所示。

由图4 可以看出， 沼液回用对玉米秸秆厌氧消化所产气体中的甲烷含量有很大影响， 沼液回用试验组（R1～R6）在消化初期， 气体中的甲烷含量迅速上升， 在反应第5～10 天到达较高水平， 并开始逐渐稳定在60%～70%， 而对照组（R7、 R8）的甲烷含量变化波动较大， 其中R7 后期稳定在50%～60%， R8 由于出现了酸化情况， 甲烷含量仅有20%～27%， 从第30 天才开始逐渐恢复。 由此可知， 沼液回用对玉米秸秆厌氧消化的甲烷含量影响显著， 与对照组相比可以使甲烷含量更快地趋于稳定， 并且提高其含量。 R1～R6 各试验组稳定时期的甲烷含量差别不大， 但从前期消化阶段表现看，过滤沼液试验组可以更快地到达甲烷含量高峰期和稳定期。

图4 甲烷体积变化情况Fig. 4 Changes of methane volume

2.4 TS、 VS 去除率

厌氧消化过程是对有机物的分解吸收转化过程， TS、 VS 去除率可在一定程度上反映出厌氧消化过程中物质的转化率［9］。 当秸秆经过厌氧消化转化为沼气后， TS、 VS 含量相应降低， 其去除率可以用于厌氧消化程度的分析。

各试验组在进行了40 d 的厌氧消化后， TS、VS 去除率情况如图5 所示。

图5 TS、 VS 去除率情况Fig. 5 Removal rates of TS and VS

由图5 可知， 对照组R7 和R8 的TS、 VS 去除率 均 较 低， 分 别 为49.43%、 63.31%和26.97%、34.17%。 相比于对照组， R1 ～R6 各试验组的TS、VS 去除率均较高， 为63.35%～74.52%和69.57%～78.36%， 这说明经过预处理后， 秸秆可以更充分地被厌氧消化。 转化率的高低与各试验组的产气性能相对应， 物质转化得越充分， 产气量就越高。

2.5 系统稳定性

氨氮是蛋白质等含氮原料被厌氧消化菌吸收转化而形成的， 是产甲烷菌生长速率的重要影响因素， 有研究表明， 最适宜厌氧消化的氨氮质量浓度为50 ～200 mg／L， 当氨氮质量浓度高于3 000 mg／L 时， 产甲烷菌的生长会受到明显抑制［10］。 碱度可以表征厌氧系统缓冲能力， 通过CO2-重碳酸盐-盐酸盐缓冲对系统的酸碱进行调控， 通常以重碳酸盐离子质量浓度（mg／L）表示［11］。 厌氧消化过程中，分析消化液的氨氮浓度和碱度可以在一定程度上反映消化系统的稳定性。

经过40 d 的厌氧消化， 各试验组厌氧消化液中的氨氮浓度如图6 所示， 碱度如图7 所示。 R1 ～R6试验组的氨氮质量浓度为500 ～640 mg／L， 处于合理范围之内， 未对厌氧消化过程产生抑制； 碱度为5 700 ～7 035 mg／L， 高于对照组（4 000 mg／L）， R3和R6 的碱度分别达到7 035 mg／L 和6 790 mg／L，这表明沼液回用时厌氧消化系统具有更强的缓冲能力。

图6 氨氮浓度情况Fig. 6 Ammonia nitrogen concentrations

图7 碱度情况Fig. 7 Basicity condition

3 结论

（1） 在玉米秸秆厌氧消化过程中， 过滤沼液和离心沼液回用均可提高玉米秸秆的最高日产气量，提前产气高峰， 同时使所产气体中的甲烷含量更快趋于稳定， 有效缩短了厌氧消化产气周期。 过滤沼液试验组的产气性能较好， 用过滤沼液同时作预处理和上料配水的试验组产气性能最佳。

（2） 沼液回用试验组的TS、 VS 去除率比对照组较高， 说明沼液回用有利于提高物质的转化效率， 其中用过滤沼液同时作预处理和上料配水的试验组转化效果最佳， 这与其产气性能规律一致。

（3） 沼液回用试验组中， 消化液的氨氮、 碱度均保持在正常范围， 试验系统稳定性良好， 沼液回用短时间内不会影响系统的正常运行。

综上所述， 沼液回用能有效提高玉米秸秆厌氧消化的产气性能， 增强系统稳定性。 过滤沼液回用优于离心沼液回用， 且降解物质、 产气性能最优的回用方式是用过滤沼液同时作预处理和上料配水。